Радионуклид


Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено с Радиоактивный нуклид )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Радионуклид ( радиоактивный нуклид , радиоизотоп или радиоактивный изотоп ) — это нуклид , обладающий избыточной ядерной энергией, что делает его нестабильным. Эта избыточная энергия может быть использована одним из трех способов: испускается ядром в виде гамма-излучения ; передается одному из его электронов , чтобы высвободить его в качестве конверсионного электрона ; или используется для создания и испускания новой частицы ( альфа-частицы или бета-частицы ) из ядра. Говорят, что во время этих процессов радионуклид подвергается радиоактивному распаду . [1]Эти выбросы считаются ионизирующим излучением , потому что они достаточно мощные, чтобы высвободить электрон из другого атома. Радиоактивный распад может привести к образованию стабильного нуклида или иногда к образованию нового нестабильного радионуклида, который может подвергнуться дальнейшему распаду. Радиоактивный распад — это случайный процесс на уровне отдельных атомов: невозможно предсказать, когда распадется один конкретный атом. [2] [3] [4] [5] Однако для набора атомов одного нуклида скорость распада и, следовательно, период полураспада ( t 1/2 ) для этого набора можно рассчитать на основе их измеренного распада. константы. Диапазон периодов полураспада радиоактивных атомов не имеет известных ограничений и охватывает временной диапазон более 55 порядков.

Радионуклиды встречаются в природе или искусственно производятся в ядерных реакторах , циклотронах , ускорителях частиц или генераторах радионуклидов . Существует около 730 радионуклидов с периодом полураспада более 60 минут (см. список нуклидов ). Тридцать два из них являются первичными радионуклидами .которые были созданы до образования земли. По крайней мере, еще 60 радионуклидов можно обнаружить в природе либо как дочерние элементы первичных радионуклидов, либо как радионуклиды, образующиеся в результате естественного образования на Земле под действием космического излучения. Более 2400 радионуклидов имеют период полураспада менее 60 минут. Большинство из них производятся только искусственно и имеют очень короткий период полураспада. Для сравнения, существует около 252 стабильных нуклидов . (Теоретически только 146 из них стабильны, а остальные 106, как полагают, распадаются посредством альфа-распада , бета-распада , двойного бета-распада , электронного захвата или двойного электронного захвата .)

Все химические элементы могут существовать в виде радионуклидов. Даже самый легкий элемент, водород , содержит хорошо известный радионуклид тритий . Элементы тяжелее свинца , а также элементы технеций и прометий существуют только в виде радионуклидов. (Теоретически элементы тяжелее диспрозия существуют только в виде радионуклидов, но некоторые такие элементы, такие как золото и платина , стабильны при наблюдениях , и их периоды полураспада не определены).

Незапланированное облучение радионуклидами, как правило, оказывает вредное воздействие на живые организмы, включая человека, хотя низкие уровни облучения происходят естественным образом без вреда. Степень вреда будет зависеть от характера и степени производимого излучения, количества и характера воздействия (близкий контакт, вдыхание или проглатывание) и биохимических свойств элемента; с повышенным риском рака самое обычное последствие. Однако радионуклиды с подходящими свойствами используются в ядерной медицине как для диагностики, так и для лечения. Индикатор визуализации, изготовленный из радионуклидов, называется радиоактивным индикатором . Фармацевтический препарат , изготовленный из радионуклидов, называется радиофармпрепаратом .

Источник

Естественный

На Земле природные радионуклиды делятся на три категории: первичные радионуклиды, вторичные радионуклиды и космогенные радионуклиды.

  • Радионуклиды образуются при звездном нуклеосинтезе и взрывах сверхновых вместе со стабильными нуклидами. Большинство из них быстро распадаются, но их все еще можно наблюдать астрономически и они могут играть роль в понимании астрономических процессов. Первичные радионуклиды, такие как уран и торий , существуют в настоящее время, потому что период их полураспада настолько велик (>100 миллионов лет), что они еще не полностью распались. Период полураспада некоторых радионуклидов настолько велик (во много раз превышает возраст Вселенной), что распад был обнаружен только недавно, и для большинства практических целей их можно считать стабильными, в первую очередь висмут-209 : обнаружение этого распада означало, что висмутперестала считаться стабильной. Возможно, распад можно наблюдать и в других нуклидах, дополняющих этот список первичных радионуклидов.
  • Вторичные радионуклиды – это радиогенные изотопы, образующиеся при распаде первичных радионуклидов. Они имеют более короткий период полураспада, чем первичные радионуклиды. Они возникают в цепочке распада первичных изотопов тория-232 , урана-238 и урана-235 . Примеры включают природные изотопы полония и радия .
  • Космогенные изотопы , такие как углерод-14 , присутствуют, потому что они постоянно образуются в атмосфере под действием космических лучей . [6]

Многие из этих радионуклидов существуют в природе лишь в следовых количествах, включая все космогенные нуклиды. Вторичные радионуклиды будут встречаться пропорционально их периодам полураспада, поэтому короткоживущие будут очень редки. Например, полоний можно найти в урановых рудах в количестве около 0,1 мг на метрическую тонну (1 часть на 10 10 ). [7] [8] Другие радионуклиды могут встречаться в природе в практически не поддающихся обнаружению количествах в результате редких событий, таких как спонтанное деление или необычные взаимодействия космических лучей.

Ядерное деление

Радионуклиды образуются как неизбежный результат ядерного деления и термоядерных взрывов . В процессе ядерного деления образуется широкий спектр продуктов деления , большинство из которых являются радионуклидами. Дополнительные радионуклиды могут образовываться в результате облучения ядерного топлива (с образованием ряда актинидов ) и окружающих структур с образованием продуктов активации . Эта сложная смесь радионуклидов с различным химическим составом и радиоактивностью делает обращение с ядерными отходами и ядерными осадками особенно проблематичным.

Синтетический

Искусственный нуклид америций-241, испускающий альфа-частицы , вставлен в камеру Вильсона для визуализации .

Синтетические радионуклиды намеренно синтезируются с использованием ядерных реакторов , ускорителей частиц или генераторов радионуклидов:

  • Радиоизотопы можно не только извлекать из ядерных отходов, но и преднамеренно производить с помощью ядерных реакторов, используя присутствующий высокий поток нейтронов . Эти нейтроны активируют элементы, размещенные внутри реактора. Типичным продуктом ядерного реактора является иридий-192 . Говорят, что элементы, которые имеют большую склонность поглощать нейтроны в реакторе, имеют высокое нейтронное сечение .
  • Ускорители частиц, такие как циклотроны , ускоряют частицы до бомбардировки цели с образованием радионуклидов. Циклотроны ускоряют протоны в мишени для производства испускающих позитроны радионуклидов, например фтора-18 .
  • Генераторы радионуклидов содержат исходный радионуклид, который распадается с образованием радиоактивного дочернего. Родитель обычно производится в ядерном реакторе. Типичным примером является генератор технеция-99м, используемый в ядерной медицине . Родителем, полученным в реакторе, является молибден-99 .

Использование

Радионуклиды используются двумя основными способами: либо только для их излучения ( облучение , ядерные батареи ), либо для сочетания химических свойств и их излучения (индикаторы, биофармацевтические препараты).

  • В биологии радионуклиды углерода могут служить радиоактивными индикаторами , потому что они химически очень похожи на нерадиоактивные нуклиды, поэтому большинство химических, биологических и экологических процессов обрабатывают их почти одинаково. Затем можно проверить результат с помощью детектора излучения, такого как счетчик Гейгера , чтобы определить, где были включены предоставленные атомы. Например, можно выращивать растения в среде, в которой двуокись углерода содержит радиоактивный углерод; тогда части растения, содержащие атмосферный углерод, будут радиоактивными. Радионуклиды можно использовать для мониторинга таких процессов, как репликация ДНК илитранспорт.
  • В ядерной медицине радиоизотопы используются для диагностики, лечения и исследований. Радиоактивные химические индикаторы, испускающие гамма-лучи или позитроны, могут предоставить диагностическую информацию о внутренней анатомии и функционировании определенных органов, включая человеческий мозг . [9] [10] [11] Это используется в некоторых формах томографии: однофотонная эмиссионная компьютерная томография и сканирование позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и черенковская люминесцентная визуализация . Радиоизотопы также являются методом лечения гемопоэтических форм опухолей; успех лечения солидных опухолей был ограниченным. Более мощные источники гамма-излучения стерилизуют шприцы и другое медицинское оборудование.
  • При сохранении пищевых продуктов радиация используется для остановки прорастания корнеплодов после сбора урожая, для уничтожения паразитов и вредителей, а также для контроля созревания хранящихся фруктов и овощей.
  • В промышленности и горнодобывающей промышленности радионуклиды используются для исследования сварных швов, обнаружения утечек, изучения скорости износа, эрозии и коррозии металлов, а также для оперативного анализа широкого спектра полезных ископаемых и топлив.
  • В космических кораблях радионуклиды используются для обеспечения электроэнергией и теплом, в частности, с помощью радиоизотопных термоэлектрических генераторов (РИТЭГ) и радиоизотопных нагревателей (РРУ).
  • В астрономии и космологии радионуклиды играют роль в понимании звездных и планетарных процессов.
  • В физике элементарных частиц радионуклиды помогают открывать новую физику ( физику за пределами Стандартной модели ) за счёт измерения энергии и импульса продуктов их бета-распада (например, безнейтринный двойной бета-распад и поиск слабо взаимодействующих массивных частиц ). [12]
  • В экологии радионуклиды используются для отслеживания и анализа загрязняющих веществ, изучения движения поверхностных вод, измерения стока дождевой и снеговой воды, а также расхода ручьев и рек.
  • В геологии , археологии и палеонтологии природные радионуклиды используются для определения возраста горных пород, минералов и ископаемых материалов.

Примеры

В следующей таблице перечислены свойства отдельных радионуклидов, иллюстрирующие диапазон свойств и областей применения.

Ключ: Z  =  атомный номер ; N  =  число нейтронов ; DM = режим затухания; DE = энергия распада; EC =  захват электронов

Бытовые детекторы дыма

Контейнер с америцием-241 в детекторе дыма.
Капсула америция-241, обнаруженная в детекторе дыма. Круг более темного металла в центре — америций-241; окружающий кожух - алюминий.

Радионуклиды присутствуют во многих домах, поскольку они используются внутри наиболее распространенных бытовых детекторов дыма . В качестве радионуклида используется америций-241 , который создается путем бомбардировки плутония нейтронами в ядерном реакторе. Он распадается, испуская альфа-частицы и гамма-излучение , превращаясь в нептуний-237 . Детекторы дыма используют очень небольшое количество 241 Am (около 0,29 мкг на детектор дыма) в форме диоксида америция . 241 Am используется, поскольку он испускает альфа-частицы, которые ионизируют воздух в ионизационной камере детектора.. К ионизированному воздуху прикладывается небольшое электрическое напряжение, в результате чего возникает небольшой электрический ток. В присутствии дыма часть ионов нейтрализуется, тем самым уменьшая ток, что активирует сигнализацию извещателя. [13] [14]

Воздействие на организмы

Радионуклиды, попавшие в окружающую среду, могут оказывать вредное воздействие в виде радиоактивного загрязнения . Они также могут причинить вред, если их чрезмерно использовать во время лечения или иным образом подвергать воздействию живых существ, путем радиационного отравления . Потенциальный ущерб здоровью от воздействия радионуклидов зависит от ряда факторов и «может привести к нарушению функций здоровых тканей/органов. Радиационное воздействие может вызывать различные эффекты: от покраснения кожи и выпадения волос до радиационных ожогов и острого лучевого синдрома . привести к повреждению клеток и, в свою очередь, к раку. Признаки раковых клеток могут не проявляться в течение нескольких лет или даже десятилетий после воздействия». [15]

Сводная таблица по классам нуклидов, стабильным и радиоактивным

Ниже приводится сводная таблица для списка 989 ​​нуклидов с периодом полураспада более одного часа. Распад 252 нуклидов никогда не наблюдался, и они классически считаются стабильными. Из них 90 считаются абсолютно стабильными, за исключением протонного распада (который никогда не наблюдался), в то время как остальные « наблюдательно стабильны » и теоретически могут подвергаться радиоактивному распаду с чрезвычайно длительным периодом полураспада.

Остальные занесенные в таблицу радионуклиды имеют период полураспада более 1 часа и хорошо охарактеризованы (полную таблицу см. в списке нуклидов ). Они включают 30 нуклидов с измеренным периодом полураспада, превышающим предполагаемый возраст Вселенной (13,8 миллиарда лет [16] ), и еще четыре нуклида с периодом полураспада, достаточно большим (> 100 миллионов лет), чтобы считать их радиоактивными первичными нуклидами , и могут быть обнаружены на Земле, сохранившись из-за их присутствия в межзвездной пыли еще до образования Солнечной системы, около 4,6 миллиарда лет назад. Еще более 60 короткоживущих нуклидов могут быть обнаружены естественным путем как дочерние элементы более долгоживущих нуклидов или продукты космических лучей. Остальные известные нуклиды известны исключительно из искусственных источников.ядерная трансмутация .

Цифры неточны и могут немного измениться в будущем, поскольку «стабильные нуклиды» ​​считаются радиоактивными с очень длительным периодом полураспада.

Это сводная таблица [17] для 989 нуклидов с периодом полураспада более одного часа (включая стабильные), приведенных в списке нуклидов .

Список коммерчески доступных радионуклидов

Этот список охватывает распространенные изотопы, большинство из которых доступно в очень небольших количествах для широкой публики в большинстве стран. Другие, недоступные для общественности, продаются в коммерческих, медицинских и научных областях и подлежат государственному регулированию.

Только гамма-излучение

Только бета-излучение

Только альфа-излучение

Несколько источников излучения

Смотрите также

  • Список нуклидов показывает все радионуклиды с периодом полураспада > 1 часа .
  • Таблица гипераккумуляторов – 3
  • Радиоактивность в биологии
  • Радиометрическое датирование
  • Радионуклидная цистернограмма
  • Использование радиоактивности в нефтяных и газовых скважинах

Примечания

  1. ^ Р. Х. Петруччи, В. С. Харвуд и Ф. Г. Херринг, Общая химия (8-е изд., Prentice-Hall 2002), стр. 1025–26.
  2. ^ "Распад и период полураспада" . Проверено 14 декабря 2009 г. .
  3. ^ Стабин, Майкл Г. (2007). "3". В Стабине, Майкл Г. (ред.). Радиационная защита и дозиметрия: введение в физику здоровья (представленная рукопись). Спрингер . doi : 10.1007/978-0-387-49983-3 . ISBN 978-0387499826.
  4. ^ Бест, Лара; Родригес, Джордж; Велкер, Викрам (2013). "1,3". Учебник по радиационной онкологии и обзор . Демос Медицинское Издательство . ISBN 978-1620700044.
  5. ^ Лавленд, В .; Моррисси, Д.; Сиборг, GT (2006). Современная ядерная химия . Современная ядерная химия . Wiley-Interscience. п. 57. Бибкод : 2005mnc..book.....L . ISBN 978-0-471-11532-8.
  6. ^ Эйзенбуд, Меррил; Гезелл, Томас Ф. (25 февраля 1997 г.). Радиоактивность окружающей среды: природные, промышленные и военные источники . п. 134. ИСБН 9780122351549.
  7. ^ Багнолл, KW (1962). «Химия полония». Достижения в области неорганической химии и радиохимии 4. Нью-Йорк: Academic Press. стр. 197–226. doi: 10.1016/S0065-2792(08)60268-X. ISBN 0-12-023604-4 . Проверено 14 июня 2012 г., с. 746 
  8. ^ Багнолл, KW (1962). «Химия полония». Достижения в области неорганической химии и радиохимии 4. Нью-Йорк: Academic Press., p. 198
  9. ^ Ингвар, Дэвид Х .; Лассен, Нильс А. (1961). «Количественное определение регионарного мозгового кровотока у человека» . Ланцет . 278 (7206): 806–807. doi : 10.1016/s0140-6736(61)91092-3 .
  10. ^ Ингвар, Дэвид Х .; Франзен, Йоран (1974). «Распределение мозговой активности при хронической шизофрении» . Ланцет . 304 (7895): 1484–1486. doi : 10.1016/s0140-6736(74)90221-9 . PMID 4140398 . 
  11. ^ Лассен, Нильс А .; Ингвар, Дэвид Х .; Скинхой, Эрик (октябрь 1978 г.). «Функция мозга и кровоток». Научный американец . 239 (4): 62–71. Бибкод : 1978SciAm.239d..62L . doi : 10.1038/scientificamerican1078-62 . PMID 705327 . 
  12. ^ Северейнс, Натал; Бек, Маркус; Навилиат-Кунчич, Оскар (2006). «Испытания стандартной электрослабой модели в ядерном бета-распаде». Обзоры современной физики . 78 (3): 991–1040. arXiv : nucl-ex/0605029 . Бибкод : 2006RvMP...78..991S . doi : 10.1103/RevModPhys.78.991 . S2CID 18494258 . 
  13. ^ "Детекторы дыма и америций" . world-nuclear.org . Архивировано из оригинала 12 ноября 2010 г.
  14. Управление радиационной защиты - Информационный бюллетень Am 241 - Департамент здравоохранения штата Вашингтон. Архивировано 18 марта 2011 г. в Wayback Machine .
  15. ^ «Ионизирующее излучение, воздействие на здоровье и меры защиты» . Всемирная организация здравоохранения. ноябрь 2012 года . Проверено 27 января 2014 г.
  16. Викискладе есть медиафайлы по теме космических детективов . Европейское космическое агентство (ЕКА). 2013-04-02 . Проверено 15 апреля 2013 г. .
  17. ^ Данные таблицы получаются путем подсчета членов списка; см. WP:CALC . Ссылки на сами данные списка приведены ниже в справочном разделе списка нуклидов.

использованная литература

  • Карлссон, Дж.; Форссел Аронссон, Э.; Хиетала, SO; Стигбранд, Т.; Теннвалл, Дж.; и другие. (2003). «Терапия опухолей радионуклидами: оценка прогресса и проблемы». Лучевая терапия и онкология . 66 (2): 107–117. doi : 10.1016/S0167-8140(02)00374-2 . PMID  12648782 .
  • «Радиоизотопы в промышленности» . Всемирная ядерная ассоциация .
  • Мартин, Джеймс (2006). Физика радиационной защиты: Справочник . п. 130. ISBN 978-3527406111.

дальнейшее чтение

  • Луиг, Х .; Келлерер, А.М.; Грибель, младший (2011). «Радионуклиды, 1. Введение». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . doi : 10.1002/14356007.a22_499.pub2 . ISBN 978-3527306732.

внешняя ссылка

  • EPA – Радионуклиды – Программа защиты от радиации EPA: Информация.
  • FDA – Радионуклиды – Программа радиационной защиты FDA: Информация.
  • Интерактивная диаграмма нуклидов - диаграмма всех нуклидов.
  • Национальный центр разработки изотопов - правительственный источник радионуклидов США - производство, исследования, разработки, распространение и информация.
  • Живая карта нуклидов — МАГАТЭ
  • Симулятор производства радионуклидов – МАГАТЭ
Получено с https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Radionuclide&oldid=1056717277 .